石灰、綠肥和生物有機肥協同改良酸性土壤并提高煙草生產效益

鄧小華，黃 杰，楊麗麗，陳 金，李源環，田明慧，周米良，田 峰，張明發

（1 湖南農業大學農學院，長沙 410128；2 湖南省煙草公司湘西州公司，湖南吉首 416000）

優質烤煙生產的適宜土壤pH為5.5～7.0[1-2]，但長期大量施用化肥和連作導致植煙土壤酸化加劇[3-4]，引起土壤理化性質惡化[5-6]、鋁離子和重金屬活度提高[6-7]、土壤微生物活性降低[8]等問題，影響烤煙生長發育和對養分的吸收[7,9]，致使煙葉產量[10]和品質下降[11-12]，已成為制約烤煙生產的障礙之一。酸性土壤改良研究多集中于單一改良物的研究，胡敏等[13]研究認為，在酸性土壤上施用生石灰能明顯中和土壤酸性，顯著促進大麥幼苗生長；姜超強等[7]、陳世軍等[9]、于寧等[14]研究認為，石灰是煙區酸性改良土壤，提高煙葉產量、質量和安全性的有效技術措施。多物料組合能表現出良好的互補性，提高酸性土壤改良效果，朱經文等[11]采用化肥、石灰、腐殖酸鉀配施緩解土壤酸害，促進烤煙的養分吸收，提高煙葉品質；朱克亞等[12]研究表明，用農林廢棄物制成的改良劑明顯改善了煙田土壤物理性狀；邢世和等[10]采用“石灰+菌棒+常規化肥”組合改良酸性土壤，取得了良好效果。以單一石灰為主的酸性土壤改良技術，較難保證改良效果的穩定持續性，如果長期施用，還會引起土壤泛酸化[3,13]；種植綠肥還田可提高土壤有機質和緩沖能力，有利于阻控土壤酸化[15-16]；施用生物有機肥可提高土壤有益微生物量和生物多樣性[17-18]。如何將三者結合，改良酸性土壤的報道較少。鑒于此，本研究以烤煙作為研究對象，以石灰作為酸性土壤改良基礎物質，配施綠肥和生物有機肥，探索改良酸性土壤的途徑，為酸性土壤可持續改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017～2018年在湖南省湘西州花垣縣(28°31′35″N，109°27′4″E)進行。該地平均海拔 530 m，年平均氣溫15.0℃，年降雨量1364 mm，無霜期279 d，全年日照時數1219 h，屬亞熱帶季風山地濕潤氣候區。烤煙品種為云煙87；綠肥品種為箭筈豌豆[19]；石灰為當地市售；生物有機肥的m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)= 2.0∶2.0∶4.0，有效活菌數 ≥ 0.5 億/g，有機質 ≥ 60%。試驗區土壤類型為黃紅壤，土壤容重、孔隙度分別為1.23 g/cm3、53.6%，土壤pH為5.07，土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為20.4 g/kg、75.7 mg/kg、6.74 mg/kg、123 mg/kg，土壤水解性酸、交換性酸、交換性氫、交換性鋁分別為3.32 cmol/kg、8.15 cmol/kg、3.51 cmol/kg、4.64 cmol/kg，土壤交換性鹽基總量、陽離子交換量、鹽基飽和度分別為3.52 cmol/kg、7.06 cmol/kg、49.9%。

1.2 試驗設計

試驗選用石灰、綠肥、生物有機肥構成不同的改土物料組合。設4個處理，石灰(L)、石灰+綠肥(LG)、石灰+綠肥+生物有機肥(LGB)、不施石灰、綠肥、生物有機肥(CK)。3次重復，小區面積33 m2，隨機區組排列。綠肥用量為7500 kg/hm2，于移栽前10～15 d(4月中旬)壓埋入土。石灰施用量為2250 kg/hm2，于整地起壟前(4月底)按用量均勻撒施，翻壓混勻。生物有機肥用量為450 kg/hm2，于起壟前(4月底)條施。烤煙施氮量109.5 kg/hm2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)= 1∶1.27∶2.73，各處理氮磷鉀施肥量保持一致；其中LG、LGB處理添加的綠肥、生物有機肥養分量通過減少基肥中復合肥施用量進行調節。其他栽培管理措施參照湘西優質烤煙生產技術規程。

1.3 檢測指標及方法

1.3.1 土壤理化性狀檢測 于每年烤煙終采期(8月下旬)，采用5點取樣方法，在兩煙株的壟中間采集0—20 cm耕層土壤，制成混合土樣。土壤容重和孔隙度采用環刀法[20]；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法[20]；堿解氮采用堿解擴散法[20]；有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法[20]；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度法[20]。采用電位法測定土壤pH(水土比為1∶1)[20]；采用NaAC浸提—NaOH 滴定法測定水解性酸[20]；采用氯化鉀交換—中和滴定法測定交換性酸、交換性氫、交換性鋁[20]；醋酸銨法測定土壤陽離子交換量、交換性鹽基總量，并計算鹽基飽和度[20]。

1.3.2 烤煙農藝性狀調查 每個小區定5株煙進行觀察，于移栽后30 d(5月底)、60 d(6月底)，按照標準《煙草農藝性狀調查測量方法》(YC/L42-2010)測定株高、莖圍、節距、葉片數、最大葉長與葉寬等。最大葉面積=葉長 × 葉寬 × 0.6345。

1.3.3 烤煙經濟性狀考查 每個處理單采、單烤，分級后考查上等煙比例、中等煙比例、產量、產值等煙葉經濟性狀。

1.3.4 煙葉物理特性評價 按照《烤煙》(GB 2635—1992)標準選取各處理小區的上部和中部煙葉具有代表性的B2F、C3F等級，測定物理特性指標。為更加方便比較不同處理的煙葉物理性狀綜合效果，對C3F、B2F等級的物理性狀指標采用加權指數和法構建煙葉物理特性指數(physical properties index，簡稱PPI)[21]，其值越大，物理性狀綜合表現越好。

一是采用效果測度模型將烤煙物理特性指標數值轉換為0～1標準化數值，對開片度采用上限效果測度模型含梗率采用下限效果測度模型單葉重、葉片厚度、葉質重、平衡含水率采用適中效果測度模型式中為局勢的實際效果，為所有局勢效果的最大值，為所有局勢效果的最小值，為局勢效果指定的適中值(本例中單葉重為9 g、葉片厚度為100 μm、葉質重為90 g/m2、平衡含水率為15%)。

二是采用主成分分析方法[22]計算開片率、含梗率、平衡含水率、葉片厚度、單葉重、葉質重等物理特性評價指標的權重，其值分別為：16.42%、21.80%、12.84%、19.06%、10.55%、19.33%。

1.3.5 煙葉化學成分評價 采用荷蘭SKALAR San++間隔流動分析儀測定各處理小區具有代表性的B2F、C3F等級煙葉總糖、還原糖、總氮、煙堿、氯含量，火焰光度法測定煙葉鉀含量。為更加方便比較不同處理主要化學成分的綜合效果，采用加權指數和法構建化學成分可用性指數(chemical components usability index，簡稱CCUI)[23]，其值越大，化學成分綜合表現越好。

一是參照文獻[23]中的煙葉化學成分指標的隸屬函數類型和拐點值，采用模糊數學理論中的隸屬函數將各化學成分的原始數據進行0～1的標準化數值轉換。

二是采用主成分分析方法[20]計算總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯的權重，其值分別為14.4%、15.9%、10.4%、27.8%、24.6%、6.9%。

1.3.6 煙葉感官評吸 主要評定B2F、C3F等級感官質量。采用文獻[24]的感官評吸指標，由廣西中煙技術中心組織5名感官評吸專家進行賦分。采用加權法計算感官評吸總分，分別將香氣質、香氣量、雜氣、刺激性、透發性、柔細度、甜度、余味、濃度、勁頭等指標賦予15%、15%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、5%、5%的權重。

1.4 數據處理

采用Excel 2010及SPSS 20.0等軟件進行統計分析，新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤理化特性的影響

從表1可知，2017年，L、LG、LGB處理的土壤容重略低于CK，土壤孔隙度略高于CK，但差異不顯著；2018年，LG、LGB處理的土壤容重顯著低于CK，土壤孔隙度顯著高于CK，L與CK無顯著差異。LG、LGB處理土壤有機質含量極顯著高于CK、L處理；L與CK處理有機質含量差異不顯著。L、LG、LGB處理的土壤堿解氮、有效磷含量顯著高于CK，但土壤速效鉀含量顯著低于CK處理；L、LG、LGB處理間堿解氮含量差異不明顯，但有效磷、速效鉀含量有明顯差異。2018年，LG、LGB處理較CK的土壤容重分別降低了5.73%、6.56%，土壤孔隙度分別增加了5.72%、6.72%，有機質含量分別提高了27.02%、35.22%；L、LG、LGB處理的堿解氮含量較CK分別提高了25.7%、17.9%、17.1%，有效磷含量較CK分別提高了5.76%、15.0%、34.2%，但速效鉀含量較CK分別降低了31.1%、22.4%、11.3%。可見，施用改土物料可提高土壤堿解氮和有效磷含量，但降低土壤速效鉀含量；施用石灰再配施綠肥和生物有機肥能降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤有機質含量。

表1 不同改土物料對土壤物理性狀和養分含量的影響Table1 Soil physical properties and nutrient contents affected by soil remediation materials

2.2 不同處理對土壤酸度指標的影響

從表2可知，L、LG、LGB處理的土壤pH、交換性鹽基總量、陽離子交換量顯著高于CK，土壤水解性酸、交換性酸、交換性H+、交換性Al3+顯著低于CK。L、LG、LGB處理之間土壤pH、水解性酸、交換性酸、交換性H+、交換性Al3+差異顯著，土壤交換性鹽基總量、陽離子交換量差異不顯著；不同處理間土壤鹽基飽和度差異不顯著。土壤pH大小排序為：LGB＞LG＞L＞CK，土壤水解性酸、交換性酸、交換性H+、交換性Al3+大小排序為：CK ＞L＞LG＞LGB。2018年，L、LG、LGB 處理較CK處理土壤pH分別提高了0.22、0.80、1.07單位，土壤水解性酸分別降低了58.0%、66.7%、77.0%，交換性酸分別降低了75.8%、77.8%、80.8%，交換性H+分別降低了94.6%、96.6%、97.7%，交換性Al3+分別降低了64.3%、65.4%、69.9%，交換性鹽基總量分別提高了15.5%、16.3%、16.5%，陽離子交換量分別提高了13.2%、15.5%、17.6%。表明施用改土物料可提高土壤pH，降低土壤水解性酸、交換性酸、交換性H+、交換性Al3+含量，提高土壤交換性鹽基總量和陽離子交換量；不同改土物料以LGB處理降低土壤水解性酸和潛性酸的效果最好。

表2 施用不同改土物料后土壤酸度指標值Table2 Values of acidity indexes of soil after applied with different remediation materials

2.3 不同處理對烤煙農藝性狀的影響

從表3可知，烤煙移栽后30 d，不同改土物料處理的烤煙株高、節距、葉片數及最大葉面積均顯著低于CK；同時，L處理的烤煙株高、節距均顯著低于LG、LGB處理。烤煙移栽后60 d，不同改土物料處理的烤煙株高和最大葉面積均顯著高于CK，但L處理的葉片數顯著低于CK，也低于LG、LGB處理，不同改土物料處理以LGB處理的農藝性狀相對較好。表明施用改土物料可能抑制烤煙前期生長，但對烤煙中期生長有促進作用。

2.4 不同處理對烤煙經濟性狀的影響

從表4可知，不同改土物料對烤煙上等煙比例及產量和產值均有顯著的影響，而對中等煙比例影響不顯著，以對烤煙產量的影響最大。L、LG、LGB處理的上等煙比例較CK分別增加20.37%、23.21%、28.38%，LG、LGB處理上等煙比例顯著高于CK，L與CK處理差異不顯著。L、LG、LGB處理的烤煙產量較CK分別增加3.71%、17.82%、21.13%，LG、LGB處理產量極顯著高于L、CK處理，L處理產量與CK差異不顯著。L、LG、LGB處理的產值較CK分別增加0.59%、11.03%、14.62%，LGB、LG處理的產值極顯著高于L、CK處理，L產值與CK差異不顯著。表明改土物料LG、LGB處理可提高上等煙比例，增加煙葉產量和產值。

2.5 不同處理對煙葉物理特性的影響

從表5可知，不同改土物料處理的烤煙上部葉開片率、單葉重及物理特性指數存在顯著差異，其余物理特性指標差異不明顯。L、LG、LGB處理的開片率較CK提高7.27%、2.07%、8.77%；其中，L、LGB處理開片率顯著高于LG、CK處理，LG處理與CK差異不顯著。L、LG、LGB處理的單葉重較CK提高0.64%、2.68%、2.71%；LG、LGB處理的單葉重顯著高于L、CK處理，且L處理單葉重與CK差異不顯著。LG、LGB處理物理特性指數較CK顯著提高2.68%、4.02%。不同改土物料處理的烤煙中部葉物理特性差異不顯著，但物理特性指數大小排序為：LGB＞LG＞L＞CK。從F值大小可知，改土物料處理對烤煙物理特性指數影響最大，其次是開片率，再次是單葉重。可見，改土物料可提高煙葉物理特性，以LGB的效果最好。

表3 施用不同改土物料后30和60日齡烤煙農藝性狀Table3 Agronomic characters of flue-cured tobacco of 30- and 60-days’ old affected by soil remediation materials

表4 施用不同改土物料后上中等烤煙比例及產值Table4 Ratio of high and middle quality of flue-cured tobacco and output under different soil remediation treatments

2.6 不同處理對煙葉化學成分的影響

從表6可知，不同改土物料處理的烤煙上部葉化學成分指標除氯不存在顯著差異外，其余均存在顯著差異，以對煙葉糖類化合物的影響最大。L、LG、LGB處理的總糖含量較CK分別顯著增加了38.3%、18.8%、56.5%，還原糖含量較CK分別顯著增加了20.6%、16.9%、35.2%。L、LG、LGB處理的總氮含量較CK分別降低了12.0%、3.09%、8.93%，煙堿含量較CK分別降低了17.8%、8.47%、24.8%，L、LGB總氮含量顯著低于CK，L、LG、LGB處理的煙堿含量顯著低于CK。LG、LGB處理鉀含量顯著高于L、CK處理，L處理鉀含量與CK差異不顯著。煙葉化學成分可用性指數較CK分別提高了3.89%、3.95%、12.9%，LGB處理顯著高于L、LG、CK處理；L、LG處理煙葉化學成分可用性指數顯著高于CK，該兩處理間差異不顯著。

不同改土物料處理的烤煙中部葉，除總氮、煙堿不存在明顯差異外，其余化學成分指標均存在顯著差異，以對煙葉糖類化合物的影響最大。L、LG、LGB處理的總糖含量均顯著高于CK；LG處理還原糖含量極顯著高于L、LGB、CK處理。煙葉鉀含量以LGB處理最高，顯著高于L、LG處理，但與CK間差異不明顯；L處理鉀含量顯著低于CK。LG處理的煙葉氯含量極顯著高于L、LGB、CK處理，但均在適宜范圍內。各處理煙葉化學成分可用性指數較CK分別提高了0.06%、0.39%、2.79%；其中，LGB處理的化學成分可用性指數顯著高于其余處理。可見，改土物料可提高煙葉化學成分協調性，以LGB處理的效果最好。

2.7 不同處理對煙葉評吸質量的影響

從表7可知，不同改土物料主要對烤后煙葉上部葉香氣質、香氣量及透發性有顯著影響，以對香氣質的影響最大，對上部葉其余評吸指標沒有顯著影響。L、LG、LGB處理的煙葉香氣質和香氣量均高于CK；其中，LGB處理香氣質和香氣量顯著高于L、LG、CK處理。L、LG、LGB的處理透發性均高于CK；其中，L、LGB處理的透發性顯著高于LG、CK處理。各處理煙葉評吸總分大小排序為：LGB＞LG＞L＞CK；LGB 處理評吸總分極顯著高于L、LG、CK處理，L、LG處理評吸總分極顯著高于CK。

表5 不同改土物料對烤煙B2F和C3F等級葉片物理特性的影響Table5 Physical properties of tobacco leaves of grade B2F and C3F affected by soil remediation materials

表6 不同改土物料對烤煙B2F(上部葉)和C3F(中部葉)等級葉片化學特性的影響Table6 Chemical properties of tobacco leaves of grade B2F and C3F affected by soil remediation materials

不同改土物料對烤煙葉中部葉各項評吸指標沒有顯著影響。但從煙葉質量評吸總分來看，大小排序為：LGB＞LG＞L＞CK，與上部葉等級一致，但各處理間差異不顯著。可見，改土物料可提高煙葉評吸質量，以LGB處理的效果最好。

3 討論

Bortoluzzi等[25]和Manna等[26]認為，施石灰能降低土壤容重，提高土壤孔隙度。在本研究中，單施石灰降低酸性土壤容重、提高土壤孔隙度的效果不明顯；但施用石灰再配施綠肥、生物有機肥能使土壤容重顯著降低，孔隙度明顯增加，這主要是由于綠肥和生物有機肥的施入增加了土壤中有機殘體含量的緣故。

表7 不同改土物料對B2F(上部葉)和C3F(中部葉)等級煙葉評吸質量的影響Table7 Smoking quality of tobacco leaves of grade B2F and C3F affected by different soil remediation materials

土壤酸堿度是影響土壤養分有效性的重要因素之一。隨著土壤酸度的降低，土壤有機質增加、堿解氮和有效磷活性增強。但由于石灰提高了土壤交換性鈣，造成土壤溶液中K/Ca比例失調，增加土壤對K的固定，導致土壤速效鉀含量降低[27]，這與邢世和等[10]、朱克亞等[12]的研究結果一致。不同改土物料對土壤養分改善效果不同，單施石灰的有機質、有效磷、速效鉀含量均低于石灰+綠肥處理，石灰+綠肥處理也低于石灰+綠肥+生物有機肥處理。

石灰含有Ca2+和OH-，施用初期可顯著提高土壤pH，但隨著土壤黏粒中潛性酸釋放和土壤緩沖性能作用，其修復效果會隨著時間變化逐漸減弱[13,28]，長期施用石灰易造成土壤板結甚至復酸化[3]。綠肥在分解過程中會產生較多的小分子有機酸，降低作物前期土壤pH[29]，但綠肥還田能提高土壤有機質和腐殖質及土壤微生物量。施用石灰結合綠肥還田，可彌補各自的劣勢，綠肥施入可補充大量有機物質，石灰可抵消綠肥腐解產生的土壤酸化[13,30]。生物有機肥含有較多的活性微生物，能提升土壤有機質含量和微生物數量，加速土壤中有益微生物的繁殖，增強微生物對外源有機碳的分解作用，從而形成氨基酸、腐殖酸等小分子有機物，促進土壤團聚體的形成。因此，在施用石灰修復酸性土壤的同時，增施綠肥和生物有機肥，三者協同和效應疊加，從而提高土壤有機質和微生物量，增強土壤緩沖性能和酶活性[31-32]，有利于酸性土壤修復效果的穩定。本研究中，單施石灰提高土壤pH和降低土壤水解性酸、交換性酸、交換性H+、交換性Al3+的效果明顯低于石灰配施綠肥的處理，且石灰配施綠肥的處理明顯低于石灰配施綠肥和生物有機肥的處理，證明了石灰、綠肥、生物有機肥協同修復酸性土壤的效應。

施用土壤改良劑使酸性土壤pH升高，土壤理化特性得到改善，土壤養分的有效性隨之發生變化，并最終反映在烤煙對養分的吸收上，進而影響烤煙生長發育、產量及品質。不同改土物料對烤煙生長前期(30 d)表現出抑制作用，主要在于前期pH急劇增加(pH在7.0以上)[33]，超出煙株適宜水平，抑制植物組織和器官的分化[34]，致使烤煙伸根期生長略差，但該階段持續時間較短，不會影響烤煙的中、后期(60 d)生長。中、后期土壤pH穩定至適宜水平，土壤養分活性提高，對煙株生長具有促進作用。本研究結果還進一步證明，酸性土壤pH提高后，可提高煙葉上等煙比例和增加煙葉產量、產值，提高煙葉物理特性指數、化學成分指數和評吸總分，提高煙葉可用性。

4 結論

酸性煙田土壤上，施用石灰、綠肥和生物有機肥可提高土壤堿解氮、有效磷含量，提高土壤pH，降低土壤水解性酸、交換性酸、交換性H+、交換性

Al3+，提高土壤交換性鹽基總量、陽離子交換量；可促進烤煙中期生長，提高煙葉上等煙比例和產量，提高上部煙葉物理特性指數，提高煙葉化學成分可用性指數和評吸總分。石灰+綠肥、石灰+綠肥+生物有機肥可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤有機質含量。本試驗中，改良酸性土壤的效果以石灰+綠肥+生物有機肥最好，其次是石灰+綠肥，單施石灰的效果較差。